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构筑三维多孔碳包覆的金属硫化物的普适方法及其在储能领域中的应用

随着智能电网以及电动汽车的大力发展,传统的锂电材料已经不能满足人们的需要,迫切需要开发更高能量密度的锂离子电池电极材料。同时,由于传统的锂矿资源比较匮乏,人们一直在努力寻找可以替代锂电池的新能源储能体系。钠离子电池以其储量丰富,环境友好、价格低廉等优点,成为未来储能电池的重要发展方向之一。

作为储能材料,基于转化反应的过渡金属硫化物可以实现多电子转移,因此具备极高的理论容量,从而得到科研工作者的广泛关注,有望成为优质的锂离子以及钠离子电池电极材料,应用于下一代储能电源。然而,由于转化反应的多相共存的机制而导致的动力学问题和金属硫化物的低电子电导极大的限制其充放电的倍率性能。除此之外,金属硫化物材料充放电前后巨大的体积变化进一步恶化了其循环稳定性。

针对上述这些问题,德国马普所的朱昌宝博士和中国科学技术大学的余彦教授课题组合作,对其进行了系统的研究,针对材料的结构进行设计,通过构筑碳包覆的三维多孔金属硫化物,有效提高了此类材料的电化学循环稳定性和倍率性能。同时发展了静电喷雾技术,实现高效、简单、稳定、普适的方法制备碳包覆的三维多孔金属硫化物。相关结果发表在Advanced Science(10.1002/advs.201500200)上。

该团队利用生物分子半胱氨酸作为硫源,碳源,以及络合物配体,结合不同的金属阳离子,利用静电喷雾技术可制备出多种金属硫化物。用该方法制备的三维多孔SnS/C复合物可直接生长于Ti集流体上,不需要再额外添加粘结剂以及导电剂,大大简化了电池组装过程。在1A/g的电流密度下,作为锂电池负极,300次循环后SnS/C复合物其容量仍然高达535 mAh/g (>80%容量保持率);而作为钠电池负极,300次循环后其容量超过266 mAh/g (>80%容量保持率)。该结构的构筑有效的缩短了锂(钠)离子以及电子的传输距离,并提高了复合物的电子电导率,而且该三维多孔结构有效的缓冲了充放电过程中的电极材料的体积变化,同时解决了电解液在电极材料中的浸润问题,最终可以大大提高储锂以及储钠的倍率性能以及循环稳定性。该方法具有极好的普适性,可以推广至其他金属硫化物体系中,为开发设计新型的硫化物电极材料提供了良好思路。

该工作得到德国洪堡基金会,德国马普研究所,中组部“青年千人计划”,自然基金委,新世纪优秀人才计划,中国科学技术大学创新团队培育基金,中央高校基本科研业务费专项资金资助以及苏州纳米科技协同创新中心的大力支持。

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构筑三维多孔碳包覆的金属硫化物的普适方法及其在储能领域中的应用

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